濕法煙氣脫硫對環境的影響及對策

王建春，馬果駿

（1.福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建 廈門 361009；2.福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364200）

濕法煙氣脫硫對環境的影響及對策

王建春1，馬果駿2

（1.福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建 廈門 361009；2.福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364200）

濕法煙氣脫硫技術具有低鈣硫比、高脫硫率等優點，但只能脫除可溶性的污染氣體，不利于多污染物脫除，且難以避免濕煙氣由于煙溫低、煙氣比重大而對環境的影響。特別是濕法脫硫工藝無法有效脫除的硫酸氣溶膠，在超低排放煙氣中將成為主要的污染物，帶來諸如藍煙、腐蝕等一系列的問題。文章討論了濕煙氣帶來的濕法煙氣脫硫對環境的不利影響并提出了對策。

煙氣脫硫；濕煙氣；影響；對策

1 背景

煙氣脫硫技術是控制SO2和酸雨危害最有效的手段之一。其中石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝于20世紀70年代初已實現了工業應用，技術成熟于八十年代初，是一種傳統的煙氣脫硫工藝，其以脫硫效率高、鈣硫比低、副產物石膏可做商品出售等優點，成為當今占主導地位的煙氣脫硫工藝[1,2]。據不完全統計，2003后的12年中，我國共建設了濕法煙氣脫硫裝置約5000臺，對減少燃煤電廠煙氣中SO2的排放起了積極作用。

可以認為，2010年之前，在煙氣污染治理的目標為減少粉塵、解決酸雨問題的背景下，濕法煙氣脫硫工藝是適合大多數燃煤電廠的選擇。然而，隨著環境狀況的變化，環保政策日趨嚴格，在2010年之后，除了針對SO2和粉塵的減排要求進一步提高（最終部分地區提出超低排放的要求），煙氣污染治理的目標還包括減少NOx、PM2.5、汞和重金屬的排放，此時濕法煙氣脫硫便顯得力不從心，不但對于新增種類的污染物減排基本沒有裨益，甚至無法以合理的經濟代價和環境代價來滿足SO2超低排放的要求。特別是，濕法脫硫工藝自身一些根本上的缺陷，對周邊大氣環境產生的不利影響逐漸凸顯。

眾所周知，煙氣變濕是濕法煙氣脫硫的關鍵。煙氣中的可溶性污染物，SO2、HCl、HF首先溶解在水中，然后與溶解在水中的堿性吸收劑中的正離子反應，生成不溶性的鹽類。由于離子反應的速率很快，傳熱傳質的效率很高，因此濕法脫硫可以在很低的鈣硫比時，實現高脫硫效率。這同時也意味著，必須降低煙氣溫度到水露點，才能最大限度地使氣體污染物溶解到水中，所以脫硫煙氣必須是水飽和煙氣。

濕煙氣為濕法脫硫帶來低鈣硫比、高脫硫率等優點，但只能脫除可溶性的污染氣體，對于不溶氣體，如NO、氣態汞等則無能為力，不利于多污染物脫除。并且，由于在濕法脫硫過程中煙氣的急劇降溫，使得煙氣中的SO3全部生成硫酸氣溶膠，而濕法脫硫吸收塔對于氣溶膠的捕集能力很低，因此硫酸氣溶膠成為超低排放煙氣中的主要污染物，從而帶來諸如“藍煙”、腐蝕等問題。本文就濕煙氣帶來的濕法煙氣脫硫對環境的不利影響進行討論并提出相應對策。

2 濕煙氣

濕煙氣是指煙氣溫度等于或低于煙氣水露點溫度的煙氣。煙氣在進入濕法煙氣脫硫洗滌塔之前是干煙氣，在濕法煙氣脫硫過程中，煙氣經噴淋降溫后，煙氣的溫度降至水露點溫度，成為濕煙氣。

濕煙氣的主要特點：1）由于煙氣含濕量增加，煙氣的比重增加；2）處于飽和狀態的濕煙氣，有可能不含有水滴，但很不穩定，在受到絕熱條件下壓縮、膨脹和降溫時會出現凝結水滴；3）濕煙氣中的水分對于煙氣中的酸性氣體，例如SO2、SO3、HCl和HF有更高的吸收作用，因而增強了煙氣的腐蝕性。

濕煙氣對電廠運行的主要影響是：1）對洗滌塔以及下游的煙道、擋板門、膨脹節、煙囪產生腐蝕；2）由于煙氣密度增大，煙囪的抽拔力相對降低，煙囪部分區段出現正壓；3）煙囪內部的正壓會加快對煙囪的腐蝕，造成煙氣泄漏；4）煙囪的降溫和減壓作用，導致煙氣凝結水量增加。

3 濕煙氣對環境的影響及對策

3.1 煙氣抬升高度降低

由于濕煙氣溫度較低，在大多數氣象條件下都會降低煙氣的熱浮力，排出煙氣的抬升高度也隨之降低。煙氣抬升高度降低會增加煙氣中污染物的落地濃度，并會改變煙囪與最大落地濃度點之間的距離。

由于經過脫硫和除塵器之后，源強度大大降低，煙氣抬升高度的降低造成SO2和粉塵的落地濃度不會對周圍環境造成很大的影響；但由于抬升高度降低，煙氣擴散能力下降，對煙氣中的NOx、硫酸氣溶膠、汞蒸氣和其它重金屬排放的落地濃度可能有較明顯的影響；在安裝煙氣脫硝裝置之后，濕煙氣中NOx排放對周圍環境的影響將會大大改善。落地濃度最大點與煙囪的距離會變短，因此可能會造成對排放源周邊環境的影響。

由于煙氣抬升高度降低造成污染物在周邊落地濃度提高，并對電廠周圍環境帶來相應影響的相關報道很多，其中位于美國俄亥俄州Cheshire的Gavin電廠就是一個典型案例。Gavin電廠煙囪排煙中含有較高濃度的硫酸氣溶膠等污染物，定期飄蕩在鄰近的Cheshire村子，造成大量村民患上哮喘等呼吸道疾病，同時使得周邊停放的汽車及建筑物上落有大量污點而產生腐蝕、褪色。最終，電廠的業主美國電力被迫花費兩千萬美元買下了Cheshire大部分區域，村民們陸續外遷，整個村莊在十年時間內幾乎空無一人，成為名副其實的“鬼村”。

3.2 煙囪排水量增加

煙囪排放濕煙氣時，煙囪底部的排水量一般都會增加，排水主要來自煙囪壁上的凝結水。不同煙囪的排水量有很大差異，有的煙囪沒有排水。有的煙囪每小時有十幾噸的排水。此外，同一煙囪在不同負荷、不同環境溫度、不同季節的排水量也有很大差異。

煙囪排水一般呈酸性，可以排入濕法煙氣脫硫的地溝中，由煙氣脫硫系統回用。煙囪的凝結水量與煙囪的保溫狀況有直接關系，保溫良好，凝結水量就少。在正常運行時，濕煙氣在煙囪內凝結的水量可按15L/min·100MW估算，即600MW機組每小時煙囪內的凝結水量為5～6噸。機組啟動時，由于煙囪的壁溫很低，凝結水量會更大。凝結水的腐蝕性很大（圖1所示為煙囪排水的腐蝕實例），建議煙囪在設計時考慮安裝導流、收集系統。

圖1 煙囪排水的腐蝕實例照片

3.3 濕煙氣中的粉塵濃度

濕法煙氣脫硫有一定的除塵作用，洗滌塔除塵的原理主要依靠洗滌和碰撞，因此取決于煙氣的流速和洗滌塔內部的設計。假定濕法煙氣脫硫洗滌塔的除塵效率為50%，是在設計時為便于進行物料平衡計算進行的取值，測試證明不同煙氣脫硫系統、不同負荷時，洗滌塔的除塵效率有很大的不同，由于洗滌塔的除塵主要依靠慣性，因而對細顆粒的脫除效果很差[3]。丹麥兩個燃煤電廠（Nordjylland電廠和Aved?re電廠）采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，脫硫塔使粉塵濃度降低了50%～80%，但PM1濃度卻提高了20%～100%[4]。

圖2所示為上述兩個電廠在濕法煙氣脫硫后濕煙氣中顆粒物的粒徑分布[4]，從圖2可看出，在濕法煙氣脫硫后煙氣中顆粒物粒徑基本集中在0.1～3μm，粒徑呈雙峰分布，對應非球形顆粒在0.2μm處有一亞微峰，對應粗顆粒在2～3μm處有最高峰。細微顆粒物已逐漸成為我國許多大中城市的首要空氣污染物，對人體健康、氣候和大氣能見度等都造成了一定的危害和影響[5-9]。

圖2 濕法煙氣脫硫后濕煙氣中顆粒物的粒徑分布

濕法煙氣脫硫除霧器后煙氣中的漿液攜帶量約為50mg/m3，漿液含固量約為20%，因此濕法煙氣脫硫對濕煙氣中的粉塵濃度的貢獻約為10mg/Nm3，在粉塵排放標準限值很低時（如20mg/Nm3或更低時），濕煙氣的上述貢獻，必須予以考慮。

將洗滌塔作為末端除塵器來達到高粉塵排放標準的做法是不正確的，由于不能確保除塵效率，將帶來后患。同時，濕煙氣中的硫酸氣溶膠的含量較高，因此對PM2.5的貢獻比干煙氣要大。

由于濕法煙氣脫硫對細微顆粒物的減排效果不佳，在粉塵需要達到超低排放要求時，可考慮在濕法煙氣脫硫下游安裝多電場濕式電除塵器，從而有效脫除硫酸氣溶膠和超細粉塵，但目前濕式電除塵器的投資費用較高，且會產生新的廢水處理問題。

3.4 白色煙羽

濕法煙氣脫硫所帶來的“白煙”是由于濕煙氣在環境中降溫，煙氣中的水分凝結成霧滴而形成的，因此其主要成分是水蒸汽，對環境完全無害。消除白煙的唯一辦法是煙氣再熱，這無疑會大大降低電廠的熱效率，而如果環境溫度在0℃以下，即使煙氣再熱到100℃以上，也無法消除白煙。與電廠冷卻塔的白煙相比，脫硫煙氣的白煙是很少量的，關鍵是爭取要得到周邊民眾的理解。在德國（見圖3），大部分地區的民眾對于白煙的認知都比較清楚，對于其周邊電廠的白煙情況可說是“熟視無睹”，已成習慣。

圖3 德國某濕法煙氣脫硫后煙囪“白煙”現象

3.5 藍煙或黃煙

許多電廠在投運濕法脫硫之后，煙囪經常出現藍色或黃色的煙羽（如圖4、圖5所示），此類現象在國內外均有發生，十分普遍。

圖4 國外電廠煙囪藍煙/黃煙現象

圖5 國內電廠煙囪藍煙/黃煙現象

出現藍煙/黃煙的主要原因是濕煙氣中含有SO3生成的硫酸氣溶膠，而濕煙氣中的亞微米粉塵顆粒，作為H2SO4的凝結中心，加強了凝結過程。由于硫酸氣溶膠的直徑與可見光波長接近，因此會對光線產生瑞利散射（散射強度與波長的4次方成反比，顆粒直徑越小，對于短波長的散射越強），使得煙羽呈現藍色，而在煙羽的另一側會呈現黃褐色，因此，出現藍煙/黃煙實際上是同一個原因造成的。

煙羽的顏色和不透明度（濁度）取決于氣溶膠的濃度和大小、太陽光照射角度、煙氣溫度以及大氣環境條件。經驗表明，當煙氣中的硫酸氣溶膠濃度在5～10ppm就有可能會出現藍煙/黃煙，硫酸氣溶膠濃度在10～20ppm時，出現藍煙/黃煙的幾率很高。硫酸氣溶膠的濃度越高，則顏色越濃且煙羽長度也越長，嚴重時甚至可以落地。

由于SCR催化劑會將部分SO2氧化為SO3，增加煙氣中SO3的含量，因此在安裝了SCR裝置后，更多的電廠可能會出現藍煙問題。據美國EPA估計，約75%的安裝了SCR+濕法煙氣脫硫的電廠會受到藍煙問題的困擾。伴隨著民眾對空氣質量狀況的持續關注和更深入的了解，PM2.5與藍煙之間的關系將更加受到公眾的關注。

解決藍煙/黃煙問題的關鍵在于減少煙氣中硫酸氣溶膠的濃度，因此可以在選擇SCR催化劑時，盡量選用對SO2氧化率低的催化劑材料（價格較為昂貴）；可以采用脫除硫酸氣溶膠效率極高的干法煙氣脫硫工藝替代濕法煙氣脫硫工藝；或者在濕法煙氣脫硫的上游安裝用于脫除煙氣中SO3的裝置，如DSI煙道噴射系統（見圖6）[10]。

圖6 安裝在煙道上的煙道噴射系統（DSI）

采用濕式電除塵器（WESP）脫除濕法脫硫后的硫酸氣溶膠，也可解決藍煙/黃煙問題[11]。但WESP投資較大，增加了運行費用，不適宜用于中小型鍋爐；同時，WESP在運行過程中會產生廢水，需要考慮采取相應措施，此外，還需根據具體情況考慮場地、板結、腐蝕等問題[12-14]。目前，約有50套WESP應用于美國、歐洲及日本的電廠[15]。由于目的是脫除SO3，因此國外實施的WESP均為多電場形式。而在國內實施采用的WESP大多為單電場，目的是要滿足粉塵排放達到5mg/Nm3的要求，對SO3脫除效果并不理想。此外，WESP布置在濕法脫硫的下游，因此對SO3的減排無法惠及其上游的設備，對降低SCR運行溫度、緩解由于ABS帶來的SCR和空預器堵塞、提高空預器效率、減輕電除塵器和吸收塔的腐蝕等均沒有作用。圖7和圖8為脫除煙氣中硫酸煙霧前后的電廠周邊大氣環境質量的對比，可看到脫除硫酸煙霧后，大氣環境質量得到了顯著改善[11]。

圖8 脫除煙氣中硫酸氣溶膠之后

3.6 煙囪雨

煙囪雨是指在排放濕煙氣的煙囪周圍出現的液滴降落。有的煙囪出現的煙囪雨為無色透明的水滴；有的煙囪出現的煙囪雨的液滴中含有白色的固體物，又被稱為“石膏雨”。煙囪雨的出現會對周邊民眾的工作生活造成困擾（見圖9、圖10）。

圖9 某熱電廠附近經常下的“煙囪雨”

圖10 電廠的煙囪雨飄落在周圍的地面上

煙囪雨的液體來源為：1）除霧器出口煙氣攜帶的漿液液滴。大部分液滴均已沉積在煙道和煙囪中，只有很小一部分細小液滴（<50μm）可到達煙囪出口；2）沉積和冷凝在煙道壁上的液滴被氣流二次帶出的大直徑液滴，這是煙囪雨的主要來源之一；3）煙氣冷凝形成的液滴，雖然流量很大，但是液滴很細，對降落到地面上的煙囪雨的貢獻不大；4）在煙囪防腐層上沉積的冷凝液體流，由于煙氣流速過高，液流向上流動，從煙囪出口排出，這也是煙囪雨的主要來源之一。此類煙囪雨的液滴直徑很大，可達300～2000μm。

根據國內的實際運行情況，發生煙囪雨主要有以下原因：

（1）除霧器運行不正常

主要可能出現的是煙氣流速過快或泄漏的問題。除霧器結垢、煙氣量增加、漏風率增加都可能造成通過除霧器的煙氣流速增加，而通過除霧器的煙氣流速如果超過設計臨界值，除霧器的攜液量會以指數速率急劇增加；另外，除霧器局部坍塌或穿孔，會造成煙氣漏流，從而提高煙囪雨產生的幾率。

（2）煙道保溫或冷凝水收集不當

煙囪雨的主要來源之一是煙囪壁上的凝結水：凝結水在煙囪壁上形成水膜，水膜在煙氣流速較低時，向下流動，當煙氣流速高于某個臨界流速時，水膜向上流動并被帶出煙囪，煙氣流速過高，還會引起水膜表面二次夾卷，使液滴重新返回到煙氣中，其中會有大液滴被帶出現象。

（3）煙囪未按濕煙囪要求設計

1） 煙囪保溫不夠。與一般的陶瓷磚相比保溫性能好的賓高德磚使煙囪壁溫很快超過煙氣的水露點，可以減少凝結水量；2）煙囪煙氣流速太高。根據國外有關濕煙囪的設計規范，煙氣流速應控制在低于16m/s；3）煙囪內壁粗糙。煙囪內襯的表面粗糙度決定了凝結水膜上行和二次夾卷進入煙氣的臨界速度。美國Alden實驗室對若干種常見內襯的臨界速度進行了測試，測試結果可用作濕煙囪設計時的參考（見下表）[16]；4）煙囪形狀不佳。直筒形的煙囪的臨界速度最高，應首先選用；錐臺形的煙囪，尤其是磚砌、錯層砌筑的煙囪最差，應避免使用。

針對“煙囪雨”的防治與對策，主要有：1）電廠應認真對待出現“煙囪雨”的可能性，投運后一旦出現“煙囪雨”，會引發很大的社會輿論壓力，甚至因此而停產；2）出現“煙囪雨”的主要原因在煙囪、煙道和除霧器的設計不當，屬于先天不足，因此很難進行事后彌補；3）盡管目前已經有一些在煙囪的入口或出口降低、收集煙囪雨的技術，但是電廠很難承受由此帶來的建設期機組停運的經濟損失；4）“煙囪雨”的出現因廠而異，具有明顯的個體化差異的特點，強烈建議在設計凈煙氣煙道、煙囪入口煙道和煙囪筒時，對每個電廠進行物理和CDF模擬，并采取最有效的降低“煙囪雨”的措施。

不同材料防腐層的臨界流速表

3.7 煙氣下洗

圖11所示為濕煙氣排放帶來的煙氣下洗現象[17]。當煙囪出口處水平風速大于煙囪出口垂直煙速的兩倍時，有可能出現煙羽下洗現象。下洗的煙羽會在煙囪外殼上產生凝結水，腐蝕煙囪的混凝土或鋼外壁，同時，更加容易造成煙囪出口結冰的問題。

圖11 濕煙氣排放造成的煙氣下洗

針對煙囪下洗，可根據當地的最大風速，適當提高煙氣出口煙速，如加喉管等（如圖12）；采用套筒煙囪的通煙筒應高出外殼（如圖13）[16,17]。

3.8 煙囪出口結冰

圖12 帶喉管的煙囪（風速10m/s）

圖13 帶煙羽消減裝置的煙囪（風速30m/s）

圖14所示為濕煙氣帶來的煙囪出口結冰現象。寒冷地區冬季的室外溫度很低（達-30℃），未設置GGH裝置的濕法煙氣脫硫系統凈煙氣攜帶水滴和水蒸汽經煙囪向大氣排放，經煙囪筒首排入大氣時，溫度驟降，凈煙氣攜帶的水滴和水蒸汽在煙氣擴散的同時會有部分凍結在煙囪筒首，從而導致煙囪筒首結冰。嚴重時煙囪筒首結冰厚度可達1m以上，結冰高度可達5m，結冰體積會達到幾十立方米。煙囪筒首的結冰重量可達幾十噸，嚴重影響煙囪結構的安全。煙囪筒首結冰體若出現脫落，將對煙囪下部的設備造成嚴重破壞，也可能對過往人員造成人身傷害，后果非常嚴重。

圖14 濕煙氣帶來的煙囪出口結冰現象

解決煙囪出口結冰的問題極為困難，尤其是在目前環保要求和監管日益趨嚴的情況下，退出濕法煙氣脫硫，打開旁路采用原干煙氣進行化冰的方法基本無法實施，只能停機處理。也有采用安裝電加熱管進行化冰的，如某燃煤電廠在600MW機組鍋爐210m高的煙囪上安裝240根電加熱管，以此來緩解煙囪筒首結冰的現象；或者采取安裝柔性硅膠電熱膜來進行加熱的處理方案[18]。無論采用何種加熱方案，針對煙囪結冰的處理均存在能耗增加、故障點增加、檢修維護困難等問題，提高了燃煤電廠的運行維護成本，代價極大。

4 總結

濕法煙氣脫硫工藝是當今世界占主導地位的脫硫工藝，但其濕煙氣會帶來諸如煙氣抬升高度降低、煙囪排水量增加、煙氣中粉塵濃度增加、白色煙羽、藍煙或黃煙、煙囪雨、煙羽下洗、煙囪出口結冰等一系列對環境的不利影響。在當前以環境質量改善為導向的大氣污染治理情況下，多污染物治理是大趨勢，因此在選擇脫硫工藝上要有前瞻性。針對新建和改造的濕法煙氣脫硫工程，一定要考慮到對環境的不利影響。

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